Patent RU-204065-U1 (RU)
Title: Высоковольтный полупроводниковый диод с наносекундным обрывом обратного тока
IPC: H01L29/861
Filed: 2020-06-15
Granted: 2021-05-05
Abstract: Заявляемая полезная модель относится к силовой полупроводниковой импульсной электронике нано- и субнаносекундного диапазона и может быть использована в качестве элементной базы для генерации коротких мощных электрических импульсов в устройствах с индуктивными накопителями энергии.Известна конструкция высоковольтного кремниевого диода с резким обрывом обратного тока, полупроводниковая структура которого имеет высоколегированные эмиттерные слои n+- и p+-типа проводимости, расположенные на противоположных сторонах исходной кремниевой пластины, и базовую область p-типа проводимости между ними, состоящую из двух слоев, один из которых является исходным слаболегированным кремнием p-типа проводимости, а другой - более сильно легированным p/-слоем.Процесс обрыва тока протекает следующим образом. Коротким импульсом тока в проводящем направлении в базовые p/- и p0-слои диода вводится электронно-дырочная плазма, а затем резко изменяется полярность приложенного напряжения и через диод проходит импульс обратного тока. У p+p/-границы образуется плазменный фронт, перемещающийся к p/p0-переходу. Когда плазменный фронт переходит из p/-области в область p0и концентрация свободных дырок в потоке сразу оказывается значительно выше уровня легирования, то здесь образуется область объемного заряда, сопротивление диода резко возрастает и ток переходит в нагрузку.Такая конструкция прибора очень проста технологически и позволяет осуществлять за единицы наносекунд обрыв тока с плотностью порядка 10 кА/см2. Однако, исследования показали, что образование и перемещение плазменного фронта, связанное с удалением свободных дырок из плазмы, приводит к увеличению концентрации свободных электронов у n+n/-перехода и образованию там области сильного поля, протекание обратного тока через которую приводит к значительным потерям энергии. Для устранения этого недостатка предложено p+p/-слой выполнять не сплошным, а в виде отдельных каналов в исходном материале p0, причем ширина каналов и расстояние между ними примерно равны толщине слоя исходного материала между торцом канала и n/n+-слоем.Процесс резкого обрыва тока в предлагаемой конструкции полупроводникового диода протекает следующим образом. Импульсом тока длительностью в несколько десятков наносекунд в проводящем направлении в p0-базовый слой диода вводится квази-нейтральная электронно-дырочная плазма путем локальной инжекции дырок из p+p/-каналов и встречной инжекции электронов из n+n/-слоя по всей его площади. Пространственное распределение плазмы имеет вид конусов, расширяющихся по направлению к n+n/-слою. Поскольку расстояние между p/-каналами не превышает толщину p0-слоя, распределение электронно-дырочной плазмы достаточно однородно по площади p0n/-перехода. Когда при выключении через диод начинает нарастать импульс обратного тока, плотность тока дырок в p/-каналах нарастает быстрее, чем плотность тока электронов через n+n/-переход. При соответствующем выборе геометрических параметров структуры диода область сильного поля на свободных дырках в p/-каналах образуется при меньшем общем токе, чем область сильного поля на свободных электронах в n/-слое, и ток через диод обрывается раньше, чем начинаются существенные потери энергии в этом слое. Поэтому потери энергии на этапе выведения плазмы практически отсутствуют.